Nghiên cứu chế tạo và đánh giá độ bền lão hóa vật liệu cao su blend CIIR/NR

Hóa học & Môi trường<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÃO HÓA<br /> VẬT LIỆU CAO SU BLEND CIIR/NR<br /> Nguyễn Ngọc Sơn1*, Võ Hoàng Phương2,<br /> Nguyễn Đình Dương2, Nguyễn Thị Hương2<br /> Tóm tắt: Cao su blend trên cơ sở clorobutyl (CIIR) và cao su thiên nhiên (NR)<br /> đã được nghiên cứu sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu về độ<br /> kín, khả năng chống thấm khí, ẩm. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo<br /> vật liệu cao su blend CIIR/NR được sử dụng cho mục đích làm kín cho các thiết bị<br /> máy móc làm việc trong điều kiện khí hậu biển đảo. Để đánh giá khả năng làm việc<br /> trong điều kiện này, chúng tôi sử dụng phương pháp gia tốc lão hóa trong môi<br /> trường nước biển (dung dịch NaCl 3,5%), gia tốc lão hóa nhiệt và gia tốc lão hóa<br /> thời tiết trong tủ lão hóa thời tiết, qua đó đánh giá sự suy giảm tính chất cơ lý và<br /> lựa chọn thành phần phù hợp. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ blend CIIR/NR tỷ lệ<br /> 80/20, sử dụng hệ lưu hóa ZnO/S, hệ xúc tiến kết hợp TMTD/MBTS và tăng cường<br /> phụ gia chống lão hóa 2-mercaptobenzimidazol (MMBI) cho tính năng cơ lý tốt, bền<br /> trong điều kiện thử nghiệm.<br /> Từ khóa: Cao su blend; Lão hóa cao su; Clorobutyl cao su.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hiện nay, nhiều trang thiết bị quân sự làm việc trong môi trường biển đảo chịu sự tác<br /> động của khí hậu biển nên có sự xuống cấp, suy giảm tính chất, làm giảm thời gian sử<br /> dụng. Trong số đó, một số trang thiết bị sử dụng vật liệu cao su làm kín đòi hỏi chống<br /> thấm khí, ẩm tốt đồng thời đáp ứng được các yêu cầu về tính năng cơ lý và đặc biệt có thể<br /> làm việc trong thời gian dài trong điều kiện khí hậu biển trong vùng nhiệt đới như ở nước<br /> ta. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu sử dụng vật liệu blend trên nền cao su<br /> clorobutyl với đặc trưng chống chịu thời tiết tốt, khả năng chống thấm khí vượt trội hơn so<br /> với các loại cao su khác, được trộn hợp với cao su thiên nhiên nhằm cải thiện một số tính<br /> chất cơ lý.<br /> Cao su butyl (IIR) là copolyme của polyisobutylen và isopren với hàm lượng từ 0,5-<br /> 2,0%, được đặc trưng bởi tính chống thấm khí, thấm ẩm và bền với các điều kiện thời tiết.<br /> Khả năng chống thấm khí tốt của IIR là nhờ vào tính xếp chặt (khối lượng riêng 0,917<br /> g/cm3) và phần thể tích tự do thấp (khoảng 0,026 so với 0,071 của polydimetylsiloxan).<br /> Tại 65oC, mức độ thấm khí của cao su styren-butadien (SBR) chiếm 80% so với NR trong<br /> khi IIR chỉ bằng 10% so với NR [1]. Clorobutyl (CIIR) là sản phẩm clo hóa của IIR với<br /> hàm lượng clo chiếm từ 0,6-1,4% được phát triển và thương mại hóa bởi hãng Exxon vào<br /> năm 1961. CIIR mang đầy đủ những đặc trưng của cao su ban đầu, ngoài ra sau khi được<br /> clo hóa, nguyên tử clo góp phần làm tăng hoạt tính của mạch polyme, nhờ đó nên cải thiện<br /> được tính lưu hóa của chúng. Một trong những ứng dụng quan rộng rãi nhất của CIIR và<br /> blend trên cơ sở CIIR là chế tạo các loại săm, lốp xe. CIIR có tốc độ lưu hóa nhanh hơn<br /> cũng như có thể lưu hóa bằng nhiều hệ lưu hóa khác nhau so với IIR [2, 3]. Nhờ cải thiện<br /> được tính chất lưu hóa nên CIIR có thể dễ dàng trộn hợp (blend) với các cao su có độ chưa<br /> bão hòa cao, trong đó đáng chú ý nhất là cao su thiên nhiên (NR).<br /> Vật liệu cao su blend trên cơ sở CIIR và NR đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi<br /> đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống thấm khí cao của vật liệu [4, 5]. Đã<br /> có nhiều nghiên cứu được thực hiện với vật liệu này, K. M. Petrus và cộng sự [6] nghiên<br /> cứu về sự đồng lưu hóa của CIIR và NR trong blend của chúng. Theo đó, CIIR có tốc độ<br /> lưu hóa chậm hơn so với NR, họ cũng cho thấy rằng đối với các đơn phối liệu tạo thuận lợi<br /> <br /> <br /> <br /> 32 N. N. Sơn, …, N. T. Hương, “Nghiên cứu chế tạo và đánh giá … cao su blend CIIR/NR.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> cho chất lưu hóa (lưu huỳnh và xúc tiến TMTD) dịch chuyển về pha CIIR sẽ cho tính chất<br /> cơ lý tốt hơn những đơn phối liệu tạo điều kiện cho các tác nhân dịch chuyển theo chiều<br /> ngược lại. Ngoài ra, nếu bổ sung ZnCl2 vào đơn phối liệu sẽ làm tăng cường mật độ kết<br /> mạng giữa các pha nhưng ZnCl2 lại góp phần làm giảm tính chất cơ lý của vật liệu. Lin Li<br /> và cộng sự [7] sử dụng thuật toán di truyền và mạng trí tuệ nhân tạo, để đánh giá ảnh<br /> hưởng các thành phần vật liệu lên tính chất cơ lý của chúng. Trên cơ sở đó đưa ra được<br /> những điều kiện tối ưu theo một số tính chất trong chế tạo blend CIIR/NR. Một số nghiên<br /> cứu về tính lão hóa của NR cũng đã được tiến hành [8, 9], kết quả chỉ ra rằng NR bị lão<br /> hóa trong điều kiện không khí và nước biển, ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ lão hóa<br /> tuân theo định luật Arrhenius với năng lượng hoạt hóa tương ứng là 90±4 và 63±3 kJ/mol.<br /> Cũng từ nghiên cứu này, kết quả cho thấy mặc dù được ngâm trong nước biển trong 42<br /> năm, hấp thụ lượng nước bằng 5% khối lượng nhưng các tính chất cơ lý của NR vẫn được<br /> đảm bảo [9].<br /> Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát thành phần của blend CIIR/NR, lựa<br /> chọn thành phần có tính chất phù hợp. Bao gồm lựa chọn tỷ lệ CIIR/NR, thành phần hệ<br /> lưu hóa và phụ gia tăng cường chống lão được chọn dựa trên khả năng bảo toàn tính chất<br /> cơ lý của vật liệu trong điều kiện lão hóa nước biển và lão hóa nhiệt.<br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Hóa chất và dụng cụ<br /> 2.1.1. Hóa chất<br /> Cao su X_butyl 1240 (Lanxess, Đức); Cao su thiên nhiên SVR CV60 (Việt Nam)<br /> Than đen N220 (Hàn Quốc); Axit stearic (Trung Quốc); Kẽm oxit ZnO (Trung Quốc);<br /> Chất xúc tiến: tetramethyl thiuram disulphide - TMTD; Mercaptobenzothiazole Disulfid -<br /> MBTS (Trung Quốc); Lưu huỳnh – S (Trung Quốc); NaCl (PA, Trung Quốc)<br /> 2,2'-Methylene-bis(4-methyl-6-tert-butylphenol) (o-MBP);<br /> 2-mercaptobenzimidazol (MMBI)<br /> N-(1,3-Dimethylbutyl)-N’-phenyl-p-phenylendiamin (6 PPD).<br /> 2.1.2. Thiết bị<br /> Thiết bị cán hai trục, tỷ tốc 1:1.19 (Trung Quốc)<br /> Máy ép thủy lực có gia nhiệt (Nga)<br /> SEM-EDX JD 2300 (Nhật Bản).<br /> Máy gia tốc thời tiết UC 327-2 (UVCON, Mỹ)<br /> 2.2. Phương pháp chế tạo và phân tích đặc trưng vật liệu<br /> 2.2.1. Chế tạo vật liệu<br /> Vật liệu blend được chế tạo trên máy cán hai trục.<br /> CIIR và NR được sơ luyện riêng trên máy cán hai trục trong 3 phút trước khi được cán<br /> trộn hợp trong 10 phút.<br /> Bổ sung lần lượt các thành phần: than đen, axit stearic, ZnO. Tiếp tục cán trong 7 phút.<br /> (Nếu mẫu có nhiệt độ cao cần để nguội đưa về nhiệt độ 20 có tính chất cơ lý ban đầu tốt nhưng tác dụng của<br /> quá trình lão hóa nhiệt càng lớn. Với mẫu vật liệu có NR